La scissione dell’acqua fotoelettrochimica (PEC) è una strategia potenzialmente fattibile per convertire l’energia solare in idrogeno verde. Tuttavia, gli attuali sistemi PEC soffrono di un’efficienza di separazione della carica relativamente bassa e di una reazione lenta di ossidazione dell’acqua, che impedisce loro di soddisfare le esigenze delle applicazioni pratiche. Il principale collo di bottiglia è quello di ottenere un'efficace separazione spaziale delle cariche, che è fondamentale per ottenere un'efficiente conversione da solare a idrogeno.
L'ingegneria dell'eterogiunzione è uno dei metodi più promettenti per la separazione spaziale della carica, tuttavia l'efficienza della separazione dei portatori dell'eterogiunzione rimane limitata a causa dell'adattamento delle bande energetiche o della compatibilità interfacciale e strutturale tra diversi semiconduttori. Nel frattempo, è stato dimostrato che la costruzione dell'omogiunzione p-n controllando finemente il drogante o il difetto nei semiconduttori è fattibile, ma il fenomeno che neutralizza il campo elettrico interfacciale attraverso il rapido accumulo di portatori durante il processo di trasferimento è in gran parte trascurabile.
A tal fine, un team di ricercatori della Scuola di Ingegneria Chimica e Tecnologia dell'Università di Tianjin, ha progettato un n-TiO2 unico /BaTiO3 /p-TiO2 eterogiunzione che si accoppia con l'effetto piezoelettrico e le giunzioni p-n per superare la separazione di carica e la limitazione del trasferimento della giunzione p-n.
"Nella nostra eterogiunzione progettata, il ferroelettrico BaTiO3 lo strato è compreso tra n-TiO2 con posti vacanti di ossigeno e p-TiO2 con posti vacanti nel titanio", afferma Minhua Ai, autore principale dello studio pubblicato sulla rivista Green Energy &Environment . "Di conseguenza, il TBT3 raggiunge una densità di fotocorrente prominente che è 2,4 e 1,5 volte superiore a quella del TiO2 e TiO2 –BaTiO3 eterogiunzione, rispettivamente."
In particolare, guidato dalla deformazione meccanica, un campo elettrico polarizzato stabile formato nel BaTiO3 ferroelettrico può regolare ulteriormente i campi elettrici incorporati sulla base di caratterizzazioni complete dei comportamenti dei portatori di carica in tale multi-eterogiunzione. E n-TiO2 /BaTiO3 /p-TiO2 l'eterogiunzione raggiunge prestazioni PEC migliorate dal piezoelettrico (2,84 volte superiori a TiO2 a 1,23 V rispetto a RHE).
"Basato sull'accoppiamento con effetto piezoelettrico e giunzioni p-n, il nostro lavoro fornisce una strategia di polarizzazione piezoelettrica per modulare il campo elettrico incorporato dell'eterogiunzione per il miglioramento della separazione di carica", aggiunge Lun Pan, autore senior e corrispondente.
Ulteriori informazioni: Minhua Ai et al, Eterogiunzione n-TiO2/BaTiO3/p-TiO2 potenziata piezoelettrica per fotoelettrocatalisi altamente efficiente, Energia verde e ambiente (2023). DOI:10.1016/j.gee.2023.12.001
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